基于Microstation平臺的水利水電工程三維開挖設計軟件開發與應用

呂 彬，傅志浩

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

水利水電工程項目設計過程中，一般都會遇到建基面開挖的相關設計工作，復雜建基面開挖及邊坡設計通常會考慮多個方案進行比較，選取最優方案。因此，為提高設計效率及設計成果的質量，設計師通常比較關心：如何能快速準確的進行開挖設計、精確的工程量提取、開挖平剖面圖繪制等工作。在傳統二維設計中，通過長期的技術積累，已有相關的解決方案，如基于AutoCAD軟件平臺的 ZDM CAD輔助設計軟件[1-2]。二維設計是在平面上用有限數量的剖面來表達開挖形式及相關參數的，實際工程中結構建基面的開挖往往同樞紐區的地質條件密切相關的，而地質條件又是在空間上連續變化或不連續變化(例如被斷層等地質結構分開)的地層結構，因此實際的開挖面應該是三維的空間結構。用二維平面來表達三維空間結構，無論是可視化還是體型精度、工程量精度都有欠缺。

隨著BIM技術的發展，三維設計手段逐步的被應用到水利水電工程整個設計周期中，目前的主要平臺有：Autodesk、Bentley及Catia等，各平臺均提供了基本的三維場地分析解決方案，如Autodesk平臺下的Civil3D軟件[3-4]、Bentley平臺下的GEOPAK場地分析軟件[5-7]及Catia平臺三維場地分析功能[8]。各平臺基本解決方案均有優缺點，但因不同平臺的文件格式不一致，導致數據互通存在難度，各平臺間常規的文件轉換如：Civil3D設計的模型需要先導出成.landXML格式，然后用GEOPAK軟件導入到Microstation平臺；MicroStation平臺的文件需要先導出成ParaSolid(*.X_T)、IGES(*.IGS)或STEP(*.STP)格式，再導入到Catia平臺；類似這種直接導入導出的操作，會存在數據丟失的可能。針對三維開挖，成果一般為由一系列點及對應的點索引構成的三角網元素，各平臺基本一致，區別在于要求的點及點索引文件的組織格式不一致。數據在各平臺間的轉換最根本的解決方案是通過編程的方式將基礎平臺網格元素的點及點索引導出，然后按照目標平臺要求的格式進行轉換后導入到目標平臺，需要在2個不同平臺上進行編程二次開發，增加了工作量且不經濟。另外不同平臺的切換不利于設計工作的開展，因此期望利用各平臺功能優勢互補的方式得到更好的開挖解決方案基本不可行。

筆者長期使用Bentley平臺系列軟件進行三維設計工作，對平臺自身的三維場地分析軟件GEOPAK有一定的研究與應用，該軟件是在Bentley平臺基礎軟件Microstation V8i上運行的國外軟件開發商提供的軟件，基本的三維開挖面設計、剖面圖繪制及工程量提取功能基本滿足需求，缺點如下：①操作流程復雜、操作習慣不符合一般的設計流程；②分層或分區土石方開挖工程量提取較困難，不可直接生成工程量表格；③生成的基本剖面圖不符合國內一般出圖習慣，后期需要大量二次加工，增加工作量；④無配套的模型及圖紙標注工具，如平面高程、坡度標注，剖面圖高程、坡度、樁號標注等。另外Bentley平臺系列軟件目前多數已升級至CONNECT Edition新版本，基于Microstation V8i的GEOPAK軟件未進行全部功能的移植升級，當前多數Bentley平臺用戶對于樞紐工程的三維開挖設計仍在V8i版本上進行，隨著軟件版本的升級，舊版本功能停止更新直至淘汰是必然的。為更好的解決水利水電工程三維開挖問題，需要進行基礎平臺功能的擴展。

在平臺軟件基礎上進行功能擴展的一般做法是進行二次開發。在Bentley平臺系列軟件上，傅志浩等[9]基于ABD軟件進行了水工結構快速建模技術研究，提高了建模效率；王國光等[10]基于Microstation二次開發了地質三維勘察設計系統GeoStation，解決了地質三維模型的創建問題；傅霆等[11]開發了交通標志BIM軟件，簡化標志模板設計，快速構建標志庫；謝先當等[12]基于OpenRail Designer軟件研究了鐵路路基BIM設計，提高鐵路路基BIM設計效率；劉彥明[13]基于Power Civil軟件研究了鐵路橋梁構件三維參數化建模工具，實現橋梁三維設計軟件參數化、關聯化、標準化；劉廷[14]基于Microstation開發了橫斷面自動化、智能化提取工具，提高了工作效率。當前各行業在Bentley平臺上的功能擴展研發工作均解決了特定的問題，在水利水電行業，暫無系統的針對三維開挖設計的工具研發。

基于上述情況，筆者在Bentley平臺基礎軟件MicroStation CONNECT Edition Update11上進行了《PrpsdcBIM三維開挖輔助設計軟件》的研發，從一線工程設計人員的角度探索三維設計中開挖設計解決方案，力求上手容易、操作簡單、流程及思路符合設計人員設計思路、各種量值滿足工程設計精度要求、剖面圖成圖符合出圖習慣、擁有完整的配套圖面標注工具。本軟件在多個實際工程中應用效果較好，其開挖框架、能實現思路及關鍵技術研究對同類項目具有一定的參考意義。

1 軟件功能

《PrpsdcBIM三維開挖輔助設計軟件》主要分為：通用類、放坡類、輔助類、剖面類、統計類、標注類、土石壩等7個模塊進行開發，見圖1。

圖1 軟件功能組成

通用類模塊主要完成線性元素高程設置、元素的隱藏及顯示、圖框調用及基本屬性提取等功能；放坡類模塊主要完成各類建基面(除土石壩外)條件下的開挖放坡線的生成；輔助類模塊主要完成Mesh類型元素的生成、修改及Mesh之間的交線提取功能；剖面類模塊主要完成剖面圖的繪制，其中剖面線支持直線和折線兩種類型；統計類模塊主要完成相關工程量的統計及工程量表的生成；標注類模塊主要完成開挖剖面圖的標注工作；土石壩模塊主要完成土石壩清基開挖相關工作。

2 軟件開發方式及框架

2.1 開發方式

Bentley Microstation平臺提供的二次開發方式有：基于C/C++語言的MDL(MicroStation Development Language/Library)、基于VB語言的MVBA(MicroStation Visual Basic for Application)及基于C#語言或其他.Net開發語言的Addins等[15]。開發難度方面MVBA最容易上手，適合開發簡單的小工具，開發周期最短；MDL難度最大，但包含最全的功能；Addins介于兩者之間。軟件交付方式方面MVBA開發出來的項目需要向用戶提供源代碼，不利于知識產權保護；Addins和MDL都可以生成.dll提交，有利于保護知識產權。

本軟件為單一功能的獨立工具的組合不涉及系統性功能開發，綜合考慮開發效率、難度及對知識產權保護因素，最終選擇基于C#語言的Addins方式進行開發，對需要調用的MDL C++函數，通過C++/CLI的方式進行封裝，用C#語言調用。

2.2 開發框架

軟件由一系列具有獨立功能的單個工具組合而成，開發框架分資源層、工具層及軟件界面層，框架見圖2。

圖2 軟件開發框架

2.2.1資源層

Bentley Microstation平臺提供的二次開發基礎函數庫分兩種形式：通過C++語言調用的MDL SDK函數庫及通過C#直接調用的.dll函數庫，MDL SDK包含了平臺開放的所有函數，.dll函數庫目前還不完整。資源層包含根據開發需求通過C++/CLI方式對MDL SDK庫函數進行封裝的供C#調用的.dll用戶自定義函數庫，以及開發過程中用到的按實現功能分類的用戶自定義函數庫。

通過C++/CLI方式封裝的用戶自定義函數庫解決了當前平臺提供的.dll庫函數不完整的問題；按實現功能分類的用戶自定義函數庫解決了代碼復用、減少代碼量、提高開發效率的問題，同時也有利于程序的功能的擴展。

上述2種形式的用戶自定義.dll函數庫構成了資源層。

2.2.2工具層

工具層完成各模塊中獨立工具的功能實現，相同模塊中單個工具所有.cs文件使用相同的命名空間；單個工具設計由工具界面層、核心功能實現層及交互層組成，見圖2工具層通用類模塊中“修改高程”工具組織框架。界面層處理工具UI界面，利用Winform控件實現，文件命名格式為xxxForm；核心功能實現層主要完成工具功能的實現，文件命名格式為xxxMethod.cs；交互層主要用于工具和模型繪圖區域之間的數據輸入、輸出的交互，利用平臺提供的DgnElementSetTool接口實現[16]，文件命名格式為xxxTools.cs。其他模塊及模塊內工具的開發框架類似圖2中通用類模塊。

2.2.3軟件界面層

軟件界面層主要實現軟件界面的定義與配置。Bentley Microstation平臺二次開發工具調用的命令行是在commands.xml文件中定義的，該文件與程序功能代碼同時編譯，平臺軟件Microstation啟動后通過不同的命令行調用對應工具。

軟件界面是在Microstation平臺軟件的Ribbon 界面上進行擴展實現的，界面設計過程中給對應工具添加在commands.xml文件中預先定義的命令行字符串，界面配置完成后將.dng格式文件導出為.dnglib格式文件，將該.dnglib文件放置在Microstation程序安裝目錄下的特定文件夾內，Microstation程序啟動時自動加載已配置的界面，通過對應按鈕調用工具。

2.3 軟件運行環境

a)硬件環境： CPU4.0GHz以上、硬盤120 G以上、內存4 G以上。

b)系統環境：Windows 7及以上。

c)基礎軟件：軟件是基于Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11平臺開發的，經測試需要在Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11 或 Update12上運行。

經測試，軟件在上述運行環境下可正常流暢運行。

3 核心功能實現思路及關鍵技術

3.1 開挖邊線生成

三維開挖線是指由結構建筑物的建基面控制邊線(以下稱為基線)按照一定的坡比、高差及放坡方向生成的開挖面控制邊線(以下稱控制線)。建基面較規則的結構，基線及控制線一般分為線的各控制點均等高程的平面線及至少有一個點不等高程的空間線。由基線生成控制線的基本思路為：通過對基線進行水平及豎直方向的偏移實現，偏移高差值為放坡段高程之差，偏移平距值為偏移高差值乘以坡比。關鍵性函數如下：

int mdlElmdscr_copyParallel(

MSElementDescrH outDscrPP，

MSElementDescrP inDscr，

Dpoint3d * point，

double distance，

Dpoint3d * normal)

3.2 開挖面及開挖開口線生成

三維開挖面是指由基線及控制線為邊界構成的Mesh面，分初始開挖面和精確開挖面2種形式。初始開挖面由基線和控制線直接生成，邊界一般伸出地形面，和地形面的交線確定開挖開口線；開口線和初始開挖面在空間上是重合的，位于其內側的初始開挖面區域稱作精確開挖面；精確開挖面是以開口線為剪切工具將位于其外側的初始開挖面區域剪切掉的方式生成。

創建Mesh面的關鍵函數如下：

PolyfaceHeader.CreateXYTriangulation(IList point)；

DgnNetElements.MeshHeaderElement

(DgnModel dgnModel，

Element templateElement，

PolyfaceHeader meshData)；

開口線提取關鍵函數：

MSElementDescrP

mdlPop_elementDescrFromElementDescrIntersection

(MSElementDescrCP pDescr0，

MSElementDescrCP pDescr1，

MSElementCP pTemplate)

剪切初始開挖面關鍵函數：

Int mdlClip_element

(MSElementDescrH insideEdPP，

MSElementDescrH outsideEdPP，

MSElementDescrP inputEdP，

DgnModelRefP modelRef，

ClipVectorCP clip，

int view)

3.3 開挖工程量提取

結合實際工作需求，開挖工程量統計分為以下幾種應用場景：①總開挖量統計；②總土石方單獨工程量統計；③按建筑物部位分區(如重力壩的左壩肩、河床段、右壩肩)的分區開挖土石方工程量；④分層開挖量統計。

總開挖量是統計精確開挖面和原地形面包圍的封閉區域的體積；總土石方單獨工程量中，石方總量為精確開挖面與巖土分界面兩者之間包圍的封閉區域的體積，土方開挖總量為精確開挖面、巖土分界面及原地形面三者之間包圍的封閉區域的體積；按建筑物部位分區的分區開挖量計算時，需給定分區范圍，程序根據給定的分區范圍將精確開挖面進行分割分區，然后用分割后的開挖面與巖土分界面、原地形面統計對應工程量；分層開挖量一般用于設計或施工過程中需要統計某高程段區間內開挖方量情況，需依次給定分層高程，程序根據分層高程創建位于該高程的水平分層Mesh面，最后利用分層面、精確開挖面及原地形面統計對應區域開挖量。如項目前期方案比選階段暫無巖土分界面情況，軟件給出了按土石方比例統計開挖量選項。

程序實現的關鍵是計算多個Mesh元素圍封區域的體積，關鍵函數可用以下兩種方式之一：

關鍵函數一：

bool ComputePrincipalMomentsAllowMissingSideFacets

(double & volume，

DPoint3dR centroid，

RotMatrixR axes，

DVec3dR momentxyz，

bool forcePositiveVolume，

double relativeTolerance = 1.0e-8 )

關鍵函數二：

PolyfaceHeader.ComputeSingleSheetCutFillMeshes

(PolyfaceHeader terrain，

PolyfaceHeader road，

out PolyfaceHeader cutMesh，

out PolyfaceHeader fillMesh)；

3.4 支護工程量提取

水利水電工程基坑及邊坡開挖面通常需要分區域進行不同支護措施或同種措施不同支護參數的支護，常規的支護措施有：掛網噴混凝土支護、排水孔。本軟件可對常規支護措施的分區支護工程量、總工程量進行統計，生成分區支護參數表、分區支護工程量表及工程量總表。

操作中需預先對開挖面進行支護分區，軟件內置了默認支護參數，用戶可進行調整，默認參數的組織結構如下：錨桿規格為25@3×3(錨桿直徑@錨桿間距×錨桿排距)；錨桿長度為6/9(6、9 m錨桿錯開布置)；掛網參數為8@200×200(鋼筋直徑@網格長度×寬度)；噴混凝土參數為C20@100(混凝土標號@噴混凝土厚度)；排水孔參數為100@2×2/6(直徑@間距×排距/長度)。

支護工程量提取的關鍵是快速進行精確開挖面按支護范圍分區及提取分區范圍的實際面積，通過分區面積及支護參數計算對應工程量，面積提取關鍵函數如下：

int mdlMeasure_areaProperties

(double * perimeterP，

double * areaP，

DPoint3dP normalP，

DPoint3dP centroidP，

DPoint3dP momentP，

double * iXYP，

double * iXZP，

double * iYZP，

DPoint3dP principalMomentsP，

DPoint3dP principalDirectionsP，

MSElementDescrP edP，

double tolerance)

3.5 開挖剖面圖繪制

軟件生成的開挖斷面圖由高程標尺及相關剖面元素組成，高程標尺為CellHeaderElement類型元素，標尺數值區間記錄了當前剖面圖的高程范圍，可作為剖面圖高程自動標注的基準點位及基礎標高；剖面元素包含由所有相關Mesh面元素剖切的線性元素及建筑物結構剖切的CellHeaderElement元素。

剖面圖程序生成過程為：對于Mesh面類型元素，利用剖面位置線投影到對應的面上，生成剖面線；對于結構模型的剖切，程序先將結構元素轉換成Mesh類型元素，再用剖面位置線生成Z方向的Mesh面，最后通過Mesh面相交方式生成結構剖面線。上述生成的剖面元素均位于模型實際空間位置，一般平行于Z軸方向的任意面，需要通過平移、旋轉的方式將剖面圖放置在XY平面指定位置，對于折線型剖面位置線增加剖面元素展平過程。

通過線投影方式生成剖面線關鍵函數如下：

void SweepLinestringToMesh

(bvector< DPoint3d > & xyzOut，

bvector< int > & linestringIndexOut，

bvector< int > & meshIndexOut，

bvector< DPoint3d > const & linestringPoints，

DVec3dCR sweepDirection)

生成結構剖面線關鍵函數同上述開口線生成關鍵函數。

3.6 開挖剖面圖標注

開挖圖標注包含平面圖上高程、坡比、控制點坐標標注等，剖面圖上高程、坡比、樁號、特征水位等標注內容。標注工具的輸出內容一般包含文字和符號。

符號指的是坡度標注的示坡線、高程標注的“倒三角”高程符號等(見工程應用部分展示示例)，一般同類標注所用的符號基本一致，因此將所用到的符號預先定義在.dgnlib庫文件中，標注時通過調用庫文件中對應名稱的符號。Microstation平臺.dgnlib庫文件的特點是定義好之后放在Microstation安裝目錄的特定位置，當程序啟動時會自動加載到當前文件。

程序實現的基本思路為通過鼠標點選輸入需要標注的線或點，經過幾何運算計算出對應的高程、坡比、樁號等數值生成文字，然后調用對應的標注符號；文字和符號生成的初始位置均位于繪圖空間XOY平面的坐標原點處，最后通過平移旋轉的方式變換至標注位置進行輸出。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

某以供水和防洪為主、兼顧灌溉和發電的綜合利用樞紐工程，工程等別為Ⅱ等，規模為大(2)型，碾壓混凝土壩最大壩高75 m，攔河壩包括重力式擋水壩段、表孔溢流壩段、發電廠房進水口壩段等。壩址區河谷為基本對稱“V”型縱向谷，屬侵蝕剝蝕低山～丘陵區，左岸山頂高程274.60 m，坡角約30°～40°，右岸山頂高程245.0 m，坡角約30°～40°。左岸強風化上部巖體厚2.3～47.0 m，強風化下部巖體厚9.1～19.6 m，河床部位強風化厚2 m，右岸強風化上部巖體厚7.2～34.4 m，強風化下部巖體厚4.1～15.0 m。壩線右岸岸邊f1斷層附近巖層風化深，最深處低于河床約為10 m。

樞紐區左右岸邊坡覆蓋層較厚，壩頂以上邊坡開挖高度右岸130 m、左岸150 m，總開挖量600余萬m3，開挖部分工程投資對整個項目工程投資有較大影響，合理的壩線選擇及開挖方案設計對工程建設有重要意義。項目從可研階段開始采用BIM設計，初設階段下壩址3條壩線及2種壩型共計組合的10種比選方案均采用三維開挖方式，在提高質量和效率方面起到了重要作用。項目目前為施工圖階段，共三期開挖圖紙全部用本軟件完成，并多次參與現場開挖工程量的復核工作，效果明顯。樞紐布置三維模型見圖3。

圖3 樞紐布置三維模型

4.2 三維開挖設計流程

使用本軟件進行三維開挖的具體流程如下：①使用輔助類模塊中的“Mesh創建”工具以CAD地形等高線為邊界創建三維地形模型；②提取結構模型建基面，生成開挖底邊線；③結合地質模型確定開挖坡比；④使用放坡類模塊中的“平面基線放坡”“空間基線放坡1”“多級馬道放坡”等工具，以開挖底邊線為基線進行開挖放坡線的設計，放坡線和地形相交處需伸出地形面；⑤利用輔助類模塊中的“Mesh創建”工具，以開挖底邊線和放坡線為基礎生成三維初始開挖Mesh面；⑥利用輔助類模塊中的“提取交線”工具，提取地形Mesh面和初始開挖面的交線，生成三維開挖開口線；利用“Mesh分割”工具，以開挖開口線為剪切工具，剪切初始開挖面生成精確開挖面；⑦以精確開挖面、地形面、地層面為基礎，進行成果整理及輸出，包括開挖工程量提取、支護工程量提取、開挖剖面圖生成等應用，主要使用模塊為統計類、剖面類及標注類模塊。三維開挖設計流程見圖4。

圖4 三維開挖設計流程

4.3 應用成果及分析

完整的三維開挖成果較多，以下從成果質量、設計過程及出圖效率3方面對應用成果進行介紹及分析。

a)成果質量。利用三維平臺可視化優勢，本軟件設計成果實時三維展示，設計意圖表達更為精確；平、剖面圖及相關開挖、支護工程量均由三維模型提取得到，圖面表達準確度及工程量精度均優于二維設計；案例施工過程中實際分期開挖工程量與設計圖紙工程量基本一致；三維開挖面見圖5、三維開挖分區圖及分區土石方開挖工程量見圖6、表1。

圖5 三維開挖面

表1 三維開挖分區土石方工程量

b)設計過程。本軟件在整個開挖模型創建過程均有對應工具做支撐，如可批量進行多級馬道放坡、一鍵提取開挖開口線、批量切圖等，相比傳統方法提高設計效率明顯，案例應用本軟件完成樞紐區大壩及廠房的開挖設計、工程量提取、平剖面圖底圖繪制工作相比傳統方法效率提高70%以上；剖面圖見圖7，圖中除高程、坡比、樁號及特征水位等標注信息之外的開挖線、地層線、結構線、壩軸線0樁號位置線及高程標尺均為本軟件切圖工具剖切模型一次生成。

圖7 開挖剖面圖及標注

c)出圖效率。本軟件提供了平、剖面圖高程、坡度、樁號、特征水位等標注工具，可快速進行相關標注，提高成圖及出圖效率，案例應用本軟件的成圖效率比傳統方法提高50%以上，實際標注效果見圖7開挖剖面上標注信息。在圖紙信息表達方面，案例在提供常規的施工藍圖外，同時提供基于模型的三維軸測圖圖紙，施工現場二、三維圖紙相互參閱，有利于施工人員對傳統二維圖紙的理解、避免圖紙理解方面的歧義，得到項目參建各方的充分肯定。

5 結語

a)當前勘察設計行業所采用的三維設計平臺多數僅能滿足設計過程中的基本需求，要更好的利用及推廣三維設計技術，需對功能進行二次開發補充；對Microstation平臺二次開發方式、框架及底層庫函數的研究可為平臺其他功能的擴展提供參考。

b)三維設計技術在水利水電工程設計中應用日益廣泛，三維開挖設計是整個設計工作的重要組成部分，對Bentley Microstation平臺進行相應功能的二次開發，完善了基礎平臺設計工具功能體系，提高設計質量及設計效率。

c)多個生產項目的實際應用表明，研究成果軟件在三維開挖設計中提高設計產品質量、提升設計效率方面效果明顯，得到了設計人員及項目業主的認可，對推動三維正向設計的落地具有積極意義。